局部孔板送風(fēng)人工環(huán)境的氣流組織數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

齊 昊，李 瑛，吳一鳴，張 良，齊 創(chuàng)

（1.上海理工大學(xué) 上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七O三研究所 無(wú)錫分部，江蘇無(wú)錫 214000）

0 引言

家用電器是人們生活中必不可缺的部分，隨著人們生活品質(zhì)的不斷提高，以及當(dāng)今社會(huì)對(duì)于國(guó)家節(jié)能減排政策的積極響應(yīng)，人們對(duì)于家用產(chǎn)品的能效和質(zhì)量要求也越來(lái)越高。人工試驗(yàn)環(huán)境室作為家用電器測(cè)試的場(chǎng)所，隨著家電種類(lèi)的增加以及性能要求的提升，高精度的恒溫恒濕試驗(yàn)環(huán)境室的需求也越來(lái)越多［1-2］。CFD模型方法［3-4］具有模擬設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、計(jì)算速度快、可模擬復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)領(lǐng)域的模擬研究中［5-7］。本文根據(jù)人工試驗(yàn)環(huán)境室的設(shè)計(jì)要求，采用孔板送風(fēng)的方式，利用CFD模型方法對(duì)于高精度的人工試驗(yàn)環(huán)境室進(jìn)行多種條件下的氣流組織和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境室進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 人工試驗(yàn)環(huán)境室的氣流組織設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的試驗(yàn)環(huán)境室主要為電飯鍋、電磁灶、微波爐等小家用產(chǎn)品的能效檢測(cè)提供試驗(yàn)環(huán)境場(chǎng)所。根據(jù)GB 12021.6—2017以及GB/T 7725—2004以及相關(guān)單位的協(xié)議要求，人工試驗(yàn)環(huán)境室的工況控制范圍和精度要求為：工作溫度（15～35）±1 ℃，相對(duì)濕度（30%～70%）±3%，工作區(qū)域風(fēng)速＜0.5 m/s。

孔板布置方式如圖1所示。

圖1 孔板布置方式Fig.1 The layout of orifice

（1）確定送風(fēng)方式為孔板下送風(fēng)，送風(fēng)孔板采用模數(shù)為0.6 m×0.6 m的微孔鋁板，即可作為送風(fēng)口，又可作為吊頂?shù)囊徊糠帧Ｕw室內(nèi)設(shè)計(jì)面積26.81 m2，送風(fēng)孔板與頂板的面積之比為0.483＜0.5，滿足局部孔板送風(fēng)條件。燈具及吊頂鋁板也采用0.6 m×0.6 m模數(shù)，以滿足功能性及美觀性的要求。

（2）因?yàn)榭装逅惋L(fēng)具有速度衰減快，混合過(guò)程短，室內(nèi)溫度和速度分布均勻的特點(diǎn)。取送風(fēng)溫差為2 ℃，根據(jù)冷負(fù)荷計(jì)算得到送風(fēng)量L為4 600 m3/h，單塊孔板送風(fēng)為128 m3/h。校核換氣次數(shù)n=L/V，V為房間體積，經(jīng)計(jì)算n約為51次/h，滿足大于8次/h的換氣次數(shù)要求。

（3）在工作區(qū)高度h=1.2時(shí)，判斷計(jì)算斷面所在射流段。由《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，孔板為矩形孔板時(shí)起始段長(zhǎng)度x=4b（其中b為孔板的寬度）計(jì)算得到射流還處于起始段，采用下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中 ux1——起始段中心速度，m/s；

u0——孔口出流速度，m/s；

K1，K2，K3—— 考慮射流受限、射流重合、非等溫影響的修正系數(shù)；

Cm——開(kāi)孔率；

μ —— 孔口流量系數(shù)，本文為鋁制薄孔板，取μ =0.8。

式中 Δtx1—— 起始端中心溫度與周?chē)諝鉁囟戎?，℃?/p>

Δtx0—— 孔口送風(fēng)溫度與周?chē)諝鉁囟戎睿妗?/p>

假設(shè)開(kāi)孔率Cm為3%，則可通過(guò)單位孔板風(fēng)量及孔板面積計(jì)算得到u0為3.3 m/s。通過(guò)查圖可得 K1為 0.35，K2為 1.02，K3為 1.4。將 K1，K2，K3以及Cm帶入式（1）和式（2），則可計(jì)算得到ux1為 0.3 m/s，Δtx1為 0.8 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)開(kāi)孔率Cm=3%，選擇正方形排列，并取孔口直徑ds為6 mm，根據(jù)式（3）可得孔間距：

式中 ds——孔的直徑，mm，取ds=6 mm；

l ——孔與孔間的距離，mm。

可以計(jì)算得l=30 mm=0.03 m。

靜壓室內(nèi)氣流應(yīng)盡可能的小，以保持靜壓室內(nèi)靜壓穩(wěn)定，從而使氣流速度穩(wěn)定，一般限制靜壓室氣流速度與孔口流速的比值為u / u0＜ 0.2（u為靜壓室流速（垂直于孔口出流方向），u0為孔口流速）以免出流不均和出流傾斜。靜壓室厚度用下式計(jì)算：

式中 h' ——靜壓室厚度，m；

B —— 靜壓室寬度，m，最大為房間寬度，取B=5.75 m；

u —— 靜壓室內(nèi)空氣的流動(dòng)速度，m/s，u =0.66 m/s。

代入上式得到高檔風(fēng)量下h'=0.34 m，為保證靜壓穩(wěn)定以及送風(fēng)管道的安裝，取h'=0.70 m。

2 CFD模擬及試驗(yàn)分析

2.1 物理模型的建立

根據(jù)實(shí)際的試驗(yàn)環(huán)境室設(shè)計(jì)進(jìn)行物理模型的建立，房間尺寸為4.86 m×5.75 m×3.35 m（長(zhǎng)×寬×高），孔板高度為2.60 m，空氣處理柜位于環(huán)境室內(nèi)且其尺寸為1.26 m×0.9 m ×2.6 m。由于實(shí)際孔板網(wǎng)格數(shù)目巨大，普通的計(jì)算機(jī)難以實(shí)現(xiàn)結(jié)果的計(jì)算［9］。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將孔板進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，利用外形面積與原孔板風(fēng)口相等的簡(jiǎn)單開(kāi)口代替復(fù)雜孔板風(fēng)口，來(lái)描述其入流的邊界條件，并保證入流的質(zhì)量流量和動(dòng)量流量符合實(shí)際［10-11］。文章主要對(duì)于室內(nèi)測(cè)的氣流進(jìn)行研究，所以針對(duì)孔板以下的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行模型設(shè)置，室內(nèi)模型如圖2所示。

圖2 物理模型Fig.2 Physical model

2.2 基本假設(shè)和邊界條件的確立

對(duì)計(jì)算區(qū)域流體模型做如下假設(shè)：（1）試驗(yàn)環(huán)境室內(nèi)空氣為不可壓縮，空氣物性為常數(shù)，室內(nèi)空氣為透明輻射介質(zhì)；（2）環(huán)境試驗(yàn)時(shí)流場(chǎng)是穩(wěn)態(tài)的，本文模擬的是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后的穩(wěn)定狀態(tài)，忽略時(shí)間項(xiàng)的影響，流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流；（3）考慮重力因素，參照Boussinesq密度假設(shè)，除密度外的其他物性參數(shù)為常數(shù)，對(duì)密度僅考慮動(dòng)量方程中與體積力有關(guān)的項(xiàng)，其余項(xiàng)密度亦為常數(shù)，在該假設(shè)下，密度差可當(dāng)做為純粹的溫度影響因素［12］；（4）忽略由流體粘性力作功引起的耗散熱；（5）不考慮漏風(fēng)的影響，認(rèn)為室內(nèi)空氣除出口外都密封完好。

應(yīng)用k-ε雙方程湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算方法為SIMPLE算法。設(shè)置速度進(jìn)口來(lái)分別模擬不同風(fēng)量工況［13］，出口端為壓力出口，靜壓設(shè)置為0 Pa。壁面設(shè)置為恒定壁溫條件，孔板設(shè)置為多孔介質(zhì)跳躍模型［14］。多孔跳躍模型阻力計(jì)算公式［15］如下：

式中 μ ——空氣黏度，Pa·s；

v ——空氣流速，m/s；

α ——表面滲透率，m2；

C2——壓力階躍系數(shù)，m-1；

ρ ——空氣密度，kg/m3；

Δn ——孔板厚度，m。

根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境室的工作要求，采用循環(huán)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速方式，以不同送風(fēng)量的送風(fēng)方式來(lái)滿足不同的要求。高風(fēng)量模式下室內(nèi)空氣循環(huán)次數(shù)更多，溫度分布更加均勻，所以可以快速的進(jìn)行各種溫度工況的調(diào)節(jié)，但由于循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速快，所以存在著噪聲較大的問(wèn)題，對(duì)長(zhǎng)期呆在環(huán)境室內(nèi)的操作人員有一定的影響。低風(fēng)量模式下循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較慢，產(chǎn)生噪聲小，具有更好的舒適性，但試驗(yàn)工況的切換時(shí)間較長(zhǎng)。采用不同風(fēng)量送風(fēng)組合模式，可更好地滿足環(huán)境試驗(yàn)室的要求。因此本文確定了4 600，3 700，2 900 m3/h 3種不同的送風(fēng)風(fēng)量，通過(guò)模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比來(lái)得到合適風(fēng)量設(shè)置。

2.3 數(shù)值結(jié)果與分析

為了比較中間工作區(qū)溫度速度的分布，從高度上選取3個(gè)不同高度橫剖面以及寬度方向上中間縱剖面進(jìn)行分析［16］。并通過(guò)取3個(gè)主要工作區(qū)域的溫度、速度分布進(jìn)行對(duì)比分析。

為了滿足試驗(yàn)測(cè)試條件特選取4 600，3 700，2 900 m3/h 3種風(fēng)量情況進(jìn)行模擬對(duì)比，以得到合適的試驗(yàn)送風(fēng)風(fēng)量設(shè)置。不同風(fēng)量下的結(jié)果如圖3～7所示。

圖3 中心區(qū)域不同高度不同風(fēng)量下溫度差異Fig.3 Temperature difference in central area with different heights and air volumes

圖4 相同高度不同區(qū)域不同風(fēng)量下溫度差異Fig.4 Temperature difference in different areas with the same height and different air volumes

圖5 中心區(qū)域不同高度不同風(fēng)量下速度差異Fig.5 Velocity difference in central area with different heights and air volumes

圖6 相同高度不同區(qū)域不同風(fēng)量下速度差異Fig.6 Velocity difference in different areas with the same height and different air volumes

圖7 局部孔板送風(fēng)下縱向截面溫度場(chǎng)Fig.7 Temperature field of longitudinal section under local orifice air supply

圖8 局部孔板送風(fēng)下縱向截面速度場(chǎng)Fig.8 Velocity field of longitudinal section under local orifice air supply

圖3示出在中心區(qū)域下不同高度、不同風(fēng)量下的溫度分布。從圖3，4可以看出，不同的送風(fēng)量方式下環(huán)境室在3個(gè)不同高度的溫度分布都比較均勻，工作區(qū)域的溫差均控制在1 ℃以內(nèi)，相同工作高度下靠近空氣處理柜附近的工作區(qū)域（區(qū)域2）溫度會(huì)略低一些。相較2 900 m3/h風(fēng)量情況，高風(fēng)量方式下的環(huán)境室氣流混合更快，溫度分布更均勻，中間工作區(qū)的溫度更接近送風(fēng)溫度，各區(qū)域間的最大溫差更小，但3種風(fēng)量方式均滿足環(huán)境室的溫度分布要求。從圖7中可看出，4 600 m3/h風(fēng)量送風(fēng)時(shí)各個(gè)溫度截面的溫度更低，截面間的溫差更小。2 900 m3/h時(shí)由于送風(fēng)風(fēng)速小，冷空氣沒(méi)有很好的下送，在近孔板側(cè)的溫度低，而近地面工作區(qū)的溫度高。

從圖5和6可以看出，不同送風(fēng)量方式下環(huán)境室在3個(gè)不同高度的速度分布都比較均勻。風(fēng)量越大，各個(gè)水平高度面的平均風(fēng)速也就越大。3種送風(fēng)量方式均滿足環(huán)境試驗(yàn)室的工作需求。送風(fēng)風(fēng)量越大，整體環(huán)境的氣流速度越大。環(huán)境室下方工作區(qū)域由于受到空氣處理柜回風(fēng)口的影響而氣流流速大。由圖8可以看出，相較其他2個(gè)風(fēng)量送風(fēng)情況，4 600 m3/h風(fēng)量下送風(fēng)整體環(huán)境的氣流速度更大，但整體環(huán)境的氣流分布也更加均勻，房間氣流速度衰減快，混合過(guò)程短，符合孔板送風(fēng)特點(diǎn)。

3 試驗(yàn)研究

根據(jù)模擬結(jié)果，搭建人工試驗(yàn)環(huán)境室。由于高風(fēng)量送風(fēng)方式下環(huán)境室空氣循環(huán)次數(shù)更多，速度場(chǎng)和氣流分布更加均勻，能夠更好地滿足試驗(yàn)室要求，所以本次搭建的環(huán)境室選取4 600 m3/h和3 700 m3/h兩種風(fēng)量送風(fēng)方式進(jìn)行實(shí)際送風(fēng)，并進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試。根據(jù)模擬結(jié)果并結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試（Testo熱敏式風(fēng)速儀，精度為±0.05 m/s+5%測(cè)量值），得到除頂端孔口出風(fēng)處及回風(fēng)口區(qū)域，1.2 m工作高度平均溫度在0.1 m/s左右，遠(yuǎn)小于環(huán)境試驗(yàn)室所需的0.5 m/s的要求。故實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試主要針對(duì)環(huán)境室的溫度分布展開(kāi)。

為了反映局部送風(fēng)下環(huán)境室的溫度真實(shí)分布情況，對(duì)于環(huán)境室的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。本文將環(huán)境室的中間工作區(qū)劃分為9個(gè)小區(qū)域［17-18］，分別在各個(gè)區(qū)域的 0.6，1.2，1.8 m 處懸掛布置熱電偶（T型熱電偶，標(biāo)定的精度在±0.1 ℃）進(jìn)行溫度測(cè)試。環(huán)境室小區(qū)域劃分如圖9所示。

圖9 中間工作區(qū)域劃分Fig.9 Division of intermediate working area

如圖9所示，每個(gè)區(qū)域占地面積1.44 m2，總工作區(qū)域面積為12.96 m2。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)要求，測(cè)試了不同送風(fēng)量方式下的環(huán)境室溫度分布。試驗(yàn)對(duì)于溫度數(shù)據(jù)的采集使用均值估讀法，對(duì)于不斷變化的溫度數(shù)據(jù)取一個(gè)平均值進(jìn)行記錄。在試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程存在外界因素的干擾，對(duì)于部分?jǐn)?shù)據(jù)可能產(chǎn)生影響，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中對(duì)于一些誤差點(diǎn)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單修正，對(duì)于一些問(wèn)題數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除［10］。

將模擬結(jié)果取點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，可以得到模擬溫度分布，如圖10所示。

圖10 工作區(qū)域模擬溫度分布Fig.10 Simulated temperature distribution in working area

各個(gè)區(qū)域的溫度測(cè)試結(jié)果如圖11所示。如表1中所示，在工作高度1.2 m下，4 600 m3/h風(fēng)量送風(fēng)方式在中間工作區(qū)域間的平均溫度為20.43 ℃，區(qū)域間最大溫差為0.53 ℃；而3 700 m3/h風(fēng)量送風(fēng)方式在中間工作區(qū)域的平均溫差為20.75 ℃，區(qū)域間最大溫差為0.34 ℃，二者均滿足環(huán)境室溫度要求，且高風(fēng)量方式送風(fēng)具有更好的溫度分布均勻性。

表1 不同風(fēng)量方式下試驗(yàn)?zāi)M對(duì)比值Tab.1 Comparison between test values and simulation values under different air volume modes

圖11 不同送風(fēng)風(fēng)量下溫度分布Fig.11 Temperature distribution under different air volumes

不同風(fēng)量下，各房間不同高度之間試驗(yàn)測(cè)試與仿真模擬的最大溫差對(duì)比如圖12所示。由于仿真模擬中對(duì)于某些邊界條件進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，因此得到不同高度下的最大溫差要小于試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果，但總體上仿真與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果能夠較好的吻合。

圖12 不同高度間最大模擬試驗(yàn)溫差Fig.12 Maximum test temperature difference between simulated values and experimental values under different heights

但在實(shí)際操作時(shí)，高風(fēng)量送風(fēng)方式存在噪聲較大的問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，采用高風(fēng)量4 600 m3/h送風(fēng)時(shí)噪聲值為65.1 dB（A）；而低風(fēng)量3 700 m3/h時(shí)噪聲值為58.4 dB（A），2種風(fēng)量下噪聲差值為6.7 dB（A）。所以低風(fēng)量方式下運(yùn)行空氣處理柜產(chǎn)生的噪聲更小，具有更好的舒適性。因此在滿足工作條件的情況下，高風(fēng)量方式可用來(lái)實(shí)現(xiàn)不同溫度工況的快速切換，實(shí)現(xiàn)快速升降溫；而低風(fēng)量方式下噪聲較小，能滿足溫度分布均勻性的設(shè)計(jì)要求，并具有一定的舒適性。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)家電能效測(cè)試環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)環(huán)境室設(shè)計(jì)要求對(duì)環(huán)境室進(jìn)行了模擬設(shè)計(jì)，模擬對(duì)比了3個(gè)不同送風(fēng)風(fēng)量下的環(huán)境室溫度、速度分布，并確定了環(huán)境室最終設(shè)計(jì)的送風(fēng)風(fēng)量為4 600 m3/h和3 700 m3/h。

（2）根據(jù)模擬結(jié)果，搭建試驗(yàn)室并進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明4 600 m3/h風(fēng)量送風(fēng)下中間工作區(qū)域間的最大溫差為0.53 ℃，平均溫度工作區(qū)域溫度為20.45 ℃；3 700 m3/h風(fēng)量在中間工作區(qū)域最大溫差為0.34 ℃，平均溫度工作區(qū)域溫度為20.75 ℃，溫度分布均勻性滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果比對(duì)，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果有良好的吻合性。在滿足工作條件的條件下，高風(fēng)量方式可用來(lái)實(shí)現(xiàn)不同溫度工況的快速切換，實(shí)現(xiàn)快速升降溫；而低風(fēng)量方式下噪聲較小，噪聲值為58.4 dB（A），噪聲降低6.7 dB（A），能滿足溫度分布均勻性的設(shè)計(jì)要求，并具有一定的舒適性。

（3）本文采用模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，有效說(shuō)明了CFD軟件模擬可以幫助環(huán)境室進(jìn)行整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。